Velocity tuning of friction with two trapped atoms

평평한 두 표면 사이의 마찰 현상은 주로 반복된 stick-slip 과정에 의해 이루어 진다. 그러나 이러한 나노마찰에 관한 이론들이 단일원자 수준에서 검증된 적이 거의 없다. 본 논문에서는 고체 표면 상에서 움직이는 물체의 마찰현상에 대한 모델계로서, 광격자(optical lattice) 위에서 움직이는 두개의 원자(이온)을 사용하였다. 특히 이온의 속도를 10^5 배 변화시킴으로써 thermal lubricity 영역에서부터 structural lubricity 영역까지 정확히 측정하였다. 미국 MIT에서 공동연구로 수행한 이 결과들은 마찰의 근본적 이해 뿐 아니라 양자마찰, 다입자 양자터넬링, 양자열역학 등 연구의 시뮬레이터로서의 가능성을 보였다.

Friction between ordered, atomically smooth surfaces at the nanoscale (nanofriction) is often governed by stick-slip processes. To test long-standing atomistic models of such processes, we implemented a synthetic nanofriction interface between a laser-cooled Coulomb crystal of individually addressable ions as the moving object and a periodic lightfield potential as the substrate. We show that stick-slip friction can be tuned from maximal to nearly frictionless via arrangement of the ions relative to the substrate. In particular, using an ion-crystal system with single-atom, single substrate-site spatial resolution and single-slip temporal resolution, we measure the friction force over nearly five orders of magnitude in velocity, and contiguously observe four distinct regimes, while controlling temperature and dissipation. This ion simulator can be used for quantum friction, multi-particle quantum tunneling and quantum thermodynamics.

Authors: D. Gangloff, D. Blynskii, I. Counts, W. Jhe, V. Vluetic